OBSTÁCULOS EPISTEMOLÓGICOS NO ESTUDO DE MODELOS ATÔMICOS COM O USO DE SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS

## OBSTÁCULOS EPISTEMOLÓGICOS NO ESTUDO DE MODELOS ATÔMICOS COM O USO DE SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS

## Márlon Pessanha 1 , Maurício Pietrocola , Digna Couso 2 3

- 1 Faculdade de Educação, Universidade de São Paulo, marlonpessanha@yahoo.com.br

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Faculdade de Educação, Universidade de São Paulo, mpietro@usp.br

## Resumo

Neste trabalho apresentamos e discutimos alguns dos resultados de uma investigação sobre o ensino de conceitos de Física Moderna e Contemporânea na educação secundária. Baseados nas ideias de Bachelard, e em uma adequação destas ao contexto educacional, analisamos o papel dos obstáculos epistemológicos no processo de ensino e aprendizagem, em particular nas situações em que se utilizam simulações computacionais. Para isto, observamos duas situações de ensino e aprendizagem em que se discutem, entre outras questões, os modelos atômicos de Thomson e Rutherford, e a interpretação do experimento de Rutherford. Nestas situações, focamos nossa análise nos momentos das aulas em que foram utilizadas simulações computacionais, buscando identificar possíveis obstáculos epistemológicos, assim como a forma como estes foram superados. Os resultados e discussões apresentados neste trabalho são iniciais, e parte de uma pesquisa mais ampla, mas já nos mostram uma necessidade de reconhecimento e superação dos obstáculos epistemológicos como um meio de desenvolver a aprendizagem, e ainda, a adequação de algumas das ideias de Bachelard para se pensar o processo de ensino e aprendizagem.

Palavras-chave : Modelos atômicos, obstáculos epistemológicos, simulações computacionais.

## Introdução

Entre os pesquisadores em ensino de Física já se discute há alguns anos a inserção da Física Moderna e Contemporânea (FMC) na educação secundária (KNECHT, 1968; MARX, 1975; GIL; SENENT; SOLBES, 1989; CUPPARI et al., 1997; OSTERMANN; MOREIRA, 2000; PIETROCOLA, 2005). Entretanto, um problema fundamental reside nos meios de tornar as entidades e fenomenologias ligadas à FMC acessíveis aos alunos, já que em muitos casos estas só podem ser reproduzidas com o uso de equipamentos sofisticados, e estão relacionados a conceitos com alto grau de abstração que não possuem no mundo cotidiano referentes diretos e perceptíveis, e que extrapolam o domínio dos sentidos mais imediatos (PIETROCOLA; BROCKINTON, 2003).

- O uso de recursos computacionais como as simulações, pode favorecer a percepção dos fenômenos e entidades pertencentes à FMC. Tais aplicativos consistem em imagens dinâmicas e interativas que buscam representar algum fenômeno ou sistema que, por exemplo, não podem ser observados por possuírem dimensões grandes ou pequenas, ou por se manifestarem em tempos demasiadamente longos ou curtos.

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20 a 25 de janeiro de 2013

Um exemplo de conjunto de conceitos de difícil percepção e que requerem algum meio representativo para serem estudados são aqueles relacionados à estrutura e ao comportamento dos átomos e das partículas que os compõem. No caso dos modelos atômicos, que em si já são conjuntos representacionais que objetivam uma melhor compreensão de um objeto físico complexo, as simulações computacionais favorecem não somente uma visualização de imagens que compõem este conjunto representacional, mas também permitem observar uma interpretação do comportamento das partículas, fenômenos e testar modelos com o intuito de reconhecer um que seja mais adequado.

No entanto, por ser uma representação, de certa forma uma simulação computacional se baseia em relações de analogia que se não forem utilizadas com cautela e desde uma perspectiva crítica podem levar a um entendimento incorreto do objeto de estudo. Uma analogia envolve a comparação de domínios que possuem alguns elementos que são semelhantes, e outros elementos que são divergentes. Assim, a representação pode tanto facilitar a compreensão do objeto de estudo, como pode permitir o surgimento de obstáculos do pensamento à compreensão.

Nesta pesquisa, inspirados nas ideias do filósofo da Ciência Gaston Bachelard, buscamos identificar formas de utilização de simulações computacionais na discussão dos modelos atômicos que podem levar ou não a uma aprendizagem. Para isso, buscamos identificar possíveis obstáculos epistemológicos que emergem em situações de ensino de tais conceitos, nas quais são utilizadas simulações computacionais, além de identificar a forma como os obstáculos são superados.

## Os obstáculos epistemológicos de Bachelard

O filósofo da Ciência Gastón Bachelard, na primeira metade do século XX, já discutia o uso das imagens e das analogias na prática científica, e argumentava que o espírito científico deveria sempre lutar contra as imagens, contra as analogias, e contra as metáforas (BACHELARD, 1938). No entanto, conforme afirma Lopes (1996), Bachelard não sustentava a impossibilidade do uso das metáforas e imagens, mas dizia que a razão não pode se acomodar a elas, devendo sempre estar pronta para desmontá-las quando o processo de construção do conhecimento científico assim o requerer. Neste sentido, ele aceitava o uso científico das analogias e metáforas, mas lhe conferia um caráter efêmero, de forma que o conhecimento necessitava ser revisado e, sempre que necessário, superado.

Bachelard constrói o seu argumento baseando-se na noção de obstáculos epistemológicos, que ele mesmo propôs. Tais obstáculos seriam as dificuldades do raciocínio em superar formas preestabelecidas do conhecimento, que poderiam causar o estancamento ou a regressão do conhecimento científico. Para ele, o uso das imagens, metáforas e analogias permitiria o surgimento de obstáculos epistemológicos; e seria o reconhecimento e a superação destes obstáculos que levaria a um desenvolvimento do pensamento científico. Bachelard (1938) define alguns tipos de obstáculos. Um exemplo é a 'experiência primeira', que consiste em, ao tentar explicar um objeto ou fenômeno, substituir o contacto mais direto e observacional por uma explicação mais direta e apreciativa do objeto ou fenômeno. Outro exemplo é o "conhecimento unitário", que ao considerar o todo como uma unidade, tenta explicar a partir de uma parte o todo ou outra parte de um conjunto.

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Ainda que as ideias de Bachelard tenham sido cunhadas principalmente a partir da primeira metade do século XX e no âmbito da filosofia da ciência, elas são atuais e encontram na educação, especialmente no ensino das ciências, um campo fértil de aplicação. Já há alguns anos, suas ideias têm atraído o olhar de pesquisadores em ensino de ciências e matemática (BROUSSEAU, 1983; DELIZOICOV, 1991; MORTIRMER, 1996; ANDRADE; ZYLBERSZTANJ; FERRARI, 2002; MELO, 2005).

Em nossa investigação, buscamos adequar algumas das ideias de Bachelard ao contexto do ensino no estudo sobre o uso de representações analógicas específicas, as simulações computacionais. Para isso, ao assumirmos o próprio contexto de aprendizagem como o campo epistemológico do saber em formação, adotamos a noção de obstáculo epistemológico como qualquer dificuldade presente no processo de ensino e aprendizagem em que o próprio conhecimento constituído se opõe ao ato de conhecer, e aceitamos que a superação do obstáculo é o que ocasiona a aprendizagem.

## Metodologia

A metodologia adotada em nosso estudo possui um caráter qualitativo e interpretativo. A coleta de dados, que é feita em sessões de aulas com alunos do ensino secundário, tem sido realizada mediante o registro das aulas em vídeo, e por anotações em caderno de campo. Os obstáculos que se apresentam nas sessões e a forma como estes são superados são registrados.

A análise dos dados consiste na identificação e categorização dos obstáculos epistemológicos e suas superações. A identificação ocorre a partir da observação da emersão de erros conceituais durante as sessões de aula. Já a categorização ocorre de acordo com a tipologia de obstáculos epistemológicos propostos por Bachelard (1938), mas não se limitando a esta classificação visto que novos tipos de obstáculos podem ser próprios do contexto educacional. Na seção de resultados deste trabalho, apresentamos a discussão de dois exemplos de obstáculos epistemológicos identificados, descrevendo o contexto em que ocorre, sua natureza e as formas de superação dos mesmos.

## Contexto de pesquisa e desenho das sessões

As sessões de aula que compõem o contexto da investigação são planejadas de acordo com critérios didáticos, e após cada implementação em classes com alunos, se analisam criticamente buscando sua melhora, de forma interativa e em função dos resultados de aprendizagem e outros fatores. Além disso, estas sessões são utilizadas como cenários para o desenvolvimento de pesquisas didáticas concretas, como é o caso do presente estudo sobre o uso de simulações computacionais.

As sessões desenhadas, com duração prevista de 4 horas, objetivam ajudar na compreensão de conceitos de partículas elementares partindo de uma discussão sobre o porquê se busca conhecer o interior da matéria, passando pela discussão histórica dos modelos atômicos, e chegando até a discussão sobre os aceleradores de partículas. Neste trabalho discutimos somente o momento das classes em que se objetivava a superação do modelo atômico de Thomson desde uma discussão do experimento de Rutherford.

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Durante o desenho das sessões foram escolhidas duas simulações computacionais elaboradas pelo The King's Centre for Visualization in Science, um centro de pesquisa do The King's University College, instituição canadense (KCVS, 2011). Tais simulações ocupam um papel importante no desenvolvimento das atividades e como fomentadora das discussões sobre os modelos atômicos. Uma tela capturada de cada uma das simulações selecionadas é apresentada nas Figuras 01 e 02, a seguir:

Figura 01: Tela capturada da simulação que representa o experimento de Rutherford.

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Figura 02: Tela capturada da simulação que representa o núcleo de um átomo segundo o modelo atômico de Rutherford.

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A primeira simulação (Figura 01) representa o experimento de Rutherford, em que há o lançamento de partículas alfa contra um anteparo. Entre as opções de configuração da simulação, é possível definir diferentes valores de energia para as partículas alfa, e escolher entre quatro diferentes materiais para o anteparo. Um visor virtual e móvel ao redor do anteparo possibilita identificar o desvio das partículas alfa. A segunda simulação (Figura 02) selecionada representa o núcleo do átomo segundo o modelo atômico de Rutherford. Assim como na simulação anterior, nesta é possível simular o lançamento de partículas alfa com diferentes valores de energia, e optar entre quatro diferentes materiais para o anteparo. Esta simulação possibilita, ainda, ajustar o parâmetro de impacto.

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As primeiras implementações das sessões desenhadas ocorreram em classes de física do segundo ano do bachillerato Catalão, na Espanha. O chamado bachillerato é uma etapa não obrigatória da educação secundária da Espanha, com dois anos de curso, o qual possui um caráter pré-universitário. Os alunos que cursam o bachillerato podem optar por uma de três áreas: Artes; Ciências e Tecnologias; ou Humanidades e Ciências Sociais. O currículo do curso de bachillerato de Ciências e Tecnologias inclui tópicos de Física Moderna e Contemporânea. Participaram destas primeiras implementações estudantes com idade entre 16 e 17 anos, do curso de Bachillerato em Ciências e Tecnologia do ano letivo 2011-2012, e dois professores de Física do ensino catalão.

Ao longo do ano de 2013, em uma próxima etapa da pesquisa, sessões serão implementada sem classes de física do ensino secundário (Ensino Médio) da região de São Paulo no Brasil. O estudo envolvendo dois contextos diferentes, o ensino secundário catalão e o ensino secundário paulista, ocorre a partir de uma pesquisa conjunta entre o Núcleo de Pesquisas em Inovação Curricular (Nupic) da Faculdade de Educação da Universidade de São Paulo (FEUSP) e o Centro de Investigación para la Educación Científica y Matemática (CRECIM) da Universitat Autônoma de Barcelona (UAB), Espanha. O presente trabalho é parte de uma pesquisa mais ampla, que possui entre seus objetivos verificar se formas positivas de uso das simulações computacionais podem ser reproduzidas em outros contextos, por outros professores, e inclusive podem se estender a outras simulações.

## Resultados e discussões

A partir de uma análise inicial dos dados coletados em duas implementações das sessões desenhadas identificamos dois obstáculos epistemológicos presentes nas situações de uso das simulações computacionais utilizadas na discussão sobre os modelos atômicos, que descrevemos a seguir:

## A experiência primeira

Neste obstáculo o pensamento repousa sobre o facilmente perceptível e atrativo durante a interpretação do que é observado. Neste caso, o conhecimento prévio que seria inadequado para a explicação do que se observa é justamente o que ampara tal explicação. Assim, o conhecimento ao invés de ser superado é reafirmado.

Em uma das sessões foi possível observar que muitos estudantes afirmavam, após o uso da simulação que representava o experimento de Rutherford (Figura 01), que este demonstrava que o modelo atômico proposto por Thomson estaria correto. Entre as falas dos estudantes era possível ouvir a afirmação de que 'o que se vê no visor é o modelo de Thomson'. A observação do diálogo dos estudantes entre si e com os professores que participaram da sessão mostrou que o erro se devia a uma interpretação incorreta do círculo que representava o visor do aparato experimental de Rutherford (Figura 01, acima à direita). Os estudantes não interpretavam o círculo como uma representação da visualização do momento em que as partículas alfa se encontravam com o material fluorescente, mas entendiam o círculo como uma visualização direta do átomo, que se assemelharia ao modelo atômico de Thomson (modelo de pudim de passas). Assim, o círculo foi interpretado como a própria visualização de um átomo, e os pontos em seu interior como os

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elétrons. Pelas semelhanças visuais do círculo com o átomo segundo o modelo atômico de Thomson, este era reafirmado ao invés de ser refutado. De certa forma, isso ocorreu devido a um entendimento incorreto do aparato experimental, pela falta de cautela dos estudantes na 'leitura' da simulação e do roteiro de trabalho, e na fala do professor.

Na busca por uma compreensão do aparato experimental representado na simulação, o pensamento recorreu ao imediato e facilmente perceptível: às semelhanças visuais existentes entre uma imagem presente na simulação e uma representação comum do átomo de Thomson que já era conhecida. Assim, conforme acontece com o obstáculo da experiência primeira descrito por Bachelard, o que deveria ser superado é utilizado para interpretar o observado e acaba sendo reafirmado. Uma vez identificado o obstáculo, sua superação ocorreu a partir de um entendimento adequado da montagem experimental e do papel de cada item disposto na tela da simulação. Na sessão implementada os professores recorreram a uma explicação do aparato experimental como meio de superação do obstáculo, superação esta que afirmaríamos pelos diálogos subsequentes que de fato ocorreu.

## Conhecimento unitário

Neste tipo de obstáculo, o pensamento tende a extrair conclusões sobre um todo a partir de uma observação localizada. Tal extrapolação do pensamento pode entravar a aprendizagem de um novo conhecimento.

Na segunda sessão implementada, identificamos um obstáculo semelhante a este definido por Bachelard. Após utilizar a simulação em que se apresentava o lançamento de partículas contra um núcleo atômico (Figura 02), alguns dos estudantes afirmavam que o modelo atômico com um núcleo não era adequado, pois não concordava com os resultados experimentais de Rutherford. Um dos pontos envolvidos e evidenciados no experimento de Rutherford é que algumas das partículas alfa sofrem desvios com grandes ângulos, mas a grande maioria seguiria o seu trajeto com desvios com ângulos pequenos ou nulos. Na análise da situação em que emergiu o obstáculo epistemológico, percebemos que os alunos argumentavam que o modelo atômico com um núcleo de Rutherford, apresentado na simulação computacional, não permitiria que as partículas possuíssem desvios nulos ou pequenos. De fato, como a simulação computacional representava um único átomo, com uma ampliação considerável sobre o núcleo, todas as partículas alfa apresentadas na simulação sofriam desvios com grandes ângulos. Assim, ao considerarem os resultados experimentais de Rutherford que mostravam desvios pequenos ou nulos, os alunos não somente refutavam o modelo atômico nuclear de Rutherford como afirmavam que o modelo atômico de Thomson era mais adequado; afinal este permitia os desvios das partículas com pequenos ângulos verificados no experimento de Rutherford.

Como na situação anterior, afirmamos que este é também um obstáculo epistemológico, em que se impede o pensamento de superar a si mesmo. É um obstáculo que acaba por reafirmar um modelo atômico menos adequado, em detrimento de outro que explicaria melhor os resultados obtidos por Rutherford. Em nossa interpretação, este obstáculo consiste em uma extrapolação inadequada, em que partindo de uma visão reduzida se objetiva interpretar um todo, semelhantemente ao papel que exerce o obstáculo do conhecimento unitário, que ao considerar o mundo físico como uma unidade, o conhecimento da parte explicaria o

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todo, e o conhecimento do todo explicaria a parte. Cabe destacar, entretanto, que o obstáculo epistemológico que identificamos se assemelha ao obstáculo do conhecimento unitário em sua manifestação e conclusão, e não em sua motivação. Enquanto que na epistemologia de Bachelard o obstáculo do conhecimento unitário ocorre com certa consciência do chamado espírito científico que o motiva, isto é, apoia-se em uma noção do mundo físico como um todo unitário para chegar as suas conclusões; no obstáculo epistemológico que identificamos os estudantes não necessariamente possuem uma noção explícita de unidade que leva às suas conclusões, mas talvez uma desatenção sobre o objeto de estudo, que os leva às suas conclusões.

Durante as sessões, é possível observar que a superação do obstáculo ocorre no momento em que se afirma que no experimento de Rutherford não há um único átomo compondo o anteparo, mas um conjunto deles. Assim, grande parte das partículas alfa sofre pequenos ou nulos desvios, pois sua trajetória está mais distante dos núcleos atômicos, de forma que se deslocam na região entre dois núcleos em que a força elétrica resultante seria menor. Uma mudança na simulação, de forma a contemplar vários núcleos atômicos, poderia diminuir a possibilidade de ocorrência deste obstáculo epistemológico. Entretanto, vale ressaltar que os obstáculos não surgem pelas representações em si, mas sim pela forma como são utilizadas. Ainda que as representações possam potencializar a ocorrência de um obstáculo, este pode se constituir como tal somente se a situação é favorável a isto. Por exemplo, para a simulação envolvida no surgimento deste último obstáculo epistemológico que abordamos, nos parece inadequado que esta seja utilizada como meio que leve a interpretação do experimento de Rutherford, ao que acreditamos que é este uso que possibilita o obstáculo. A nosso ver, a mesma simulação é adequada em um momento mais avançado da discussão dos modelos atômicos, para entender o que se passa na interação entre as partículas alfa e os núcleos, ao explorar a natureza elétrica envolvida.

## Considerações Finais

As ideias de Bachelard, ainda que surgidas na primeira metade do século XX no âmbito da filosofia das ciências, podem ser utilizadas para pensar o ensino de ciências de nossos dias, sendo especialmente úteis para analisar representações analógicas, como são as simulações computacionais.

Neste trabalho apresentamos alguns resultados preliminares de parte de uma pesquisa que ainda se encontra em andamento, em que os primeiros dados coletados têm sido categorizados. Entretanto, os resultados já obtidos e as análises prévias já realizadas mostram uma necessidade de reconhecimento e superação dos obstáculos epistemológicos como um meio que leva à aprendizagem. Em próximas etapas da pesquisa, novos dados serão coletados e categorizados e novas sessões serão implementadas no contexto brasileiro.

## Referências

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